LED驱动器设计照明系统电路解析 —电路图天天读（231）

　　随着高功率LED的问世，照明产业也面临新的挑战。LED的使用寿命及电源转换效率成为设计LED照明系统时的主要考虑因素。而为了提供恒流以维持LED色彩与亮度的一致性，恒流LED驱动器可作为一个提供恒流输出的开关式转换器。此外，省电或高效率的电源转换需求更是在LED照明应用上不可缺少的要素，而磁滞型脉冲频率调变技术（Hysteretic PFM）可以大幅提升轻载或重载时的电源转换效率。本文将探讨如何利用恒流LED驱动器设计出高效率、高稳定性的LED照明系统。

　　传统LED驱动器：定电压模式

　　流经LED的电流决定了LED的亮度，电流越大，LED的亮度也会越亮。一般而言，使用定电压或恒流驱动器都可达到点亮LED的目的。图1为最简单的定电压 LED驱动器，流经LED的电流是由与LED串联的电阻所控制。例如，假设输入电压为5V，LED的顺向偏压为3.6V，则在该条件下，如果需要的LED 电流为20mA，所要使用的限流电阻即为70Ω。虽然这种方法的架构非常简单，但LED的电流会随着落在LED两端的电压而改变，如果LED顺向偏压不一致或输入电压有些许变动都会对LED的亮度产生影响。除此之外，在限流电阻上的功率损耗也会造成过热及低效率的问题。

　　

　　图1：定电压LED驱动器电路图

　　传统LED驱动器：恒流模式

　　另一种常用的LED驱动器为如图2所示的恒流模式驱动器。在图2中，LED的电流由线性稳压器所提供，其电流可由R1电阻设定。与定电压模式驱动器相比，恒流模式驱动器可以控制流经LED的电流而不受LED顺向偏压及输入电压的不同所影响。但如果输入电压与LED总顺向偏压之间的压差过大的话，还是会在驱动器上产生过热的问题。

　　

　　图2：恒流LED驱动器电路图

　　磁滞型脉冲频率调变

　　MBI6650 的磁滞型脉冲频率调变控制方式可以在轻载应用下有效提升系统的效率。图3为MBI6650的应用电路，图4为磁滞型脉冲频率调变方式的波型示意图。图3中的VSEN为RSEN电阻两端的压降，MBI6650的输出电流就是由该电压及电阻而定。图4中的VH为MBI6650内部的高位准参考电压，其值为 VSEN电压的1.3倍，而VL为VSEN的0.7倍。MBI6650的工作原理为：当电源打开时，VSEN低于VH，因此MBI6650内置的 MOSFET开启，此时电感电流增加连带使跨在RSEN两端的VSEN随之增加。当VSEN等于VH时，内置的MOSFET会关闭，此时电感电流会透过二极管（D1）放电而下降，因而使VSEN电压随之下降。而当VSEN电压等于VL时，内置的MOSFET又会再次开启并重复之前的动作。由于磁滞型脉冲频率调变的特性，电感电流会一直维持在连续导通模式（CCM），这对降低LED涟波电流有很大的帮助。

　　这种控制方式的切换频率会随着负载电流而变化，电流越大频率越低。在相同的负载条件下，电感越大其切换频率会越低。MBI6650的切换频率被控制在40kHz以上以避免音频噪声的发生。

　　除了可改善轻载时的效率外，磁滞型脉冲频率调变控制方式也具有其它优点，例如，由于使用高压测电流限制技术，在限流电阻上所损失的功耗很小，因此可使用较小体积的限流电阻，这对节省电路板空间及组件费用是有帮助的。

　　

　　图3：MBI6650应用电路图

　　

　　图4：磁滞型脉冲频率调变控制方式的波型示意图

　　消除波动AC输入引起的LED闪烁

　　在LED照明系统中，添加电路以改善PFC响应时间能够帮助消除由快速变化的AC输入电压引起的闪烁。如果功率因素校正（PFC）块响应不够快，波动AC输入能够推动输出电压超出其正常范围并引起人眼能够察觉的照明输出变化。添加一些简单的电路至PFC块能够帮助改善响应时间并消除闪烁问题。

　　防止过压条件

　　添加过压消除（OVE）至PFC块，帮助更轻松地对升高过快（尤其启动过程中）的电压作出反应。没有OVE块的话，如果PFC没有及时响应，输出电压和反馈控制之间就会存在间隙。由于输出电压达到其目标，反馈控制尝试降低控制值，但是因为它太慢，可能会产生过多的能量。添加OVE功能能够解决这个问题。当过多的升压电压超出目标时，保护启动并且PFC转换器作出快速反应。图1显示在有和没有附加OVE电路的情况下PFC控制器的输出响应。配备OVE的控制器在启动时有效消除过压条件的应力。

　　

　　图：添加OVP功能在启动时消除过压应力

 

 

　　保护功能

　　为确保LED照明系统及驱动器的安全及可靠性，MBI6650同时提供数种保护功能。例如：欠电压保护（UVLO）避免让IC因输入电压不足时出现误动作，它所提供的磁滞电压可避免开机时的噪声干扰。开路及短路保护可保护驱动器因受故障状况影响而损伤。同时MBI6650也提供过温度保护，当IC芯片到达 140°C时，IC即会自动关闭输出电流以避免过热对IC产生损伤，而当温度降至95°C时，IC才又会再次工作。

　　编辑点评：本篇文章将恒流LED驱动器设计出高效率、高稳定性的LED照明系统的大部分基础知识都进行了总结和归纳。还对传统LED驱动器的两种模式进行了详细的分析和相应的电路分析。并给出了消除LED闪烁的解决方法。希望大家能够全面掌握这些知识，从而为自己的设计生涯打好坚实的基础。
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